CN111518555B - 三价铈离子偶联石墨相氮化碳和铜纳米簇比率荧光探针及其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了三价铈离子(铈(III))偶联石墨相氮化碳和铜纳米簇比率荧光探针及其制备方法及应用,属于荧光传感技术领域。基于过氧化氢能使铜纳米簇的荧光发生线性猝灭,而对石墨相氮化碳的荧光影响不大的现象,构建了以铜纳米簇为信号探针,石墨相氮化碳为参比探针的比率型过氧化氢和葡萄糖的荧光传感器,实现过氧化氢和葡萄糖的定量检测。本发明采用金属阳离子铈(III)桥连石墨相氮化碳和铜纳米簇,并且其可以显著增强谷胱甘肽稳定的铜纳米簇的荧光强度,提高传感器的灵敏度。基于石墨相氮化碳‑铈(III)‑铜纳米簇的比率型荧光探针能避免仪器和环境等因素的干扰,用于过氧化氢和葡萄糖的检测时具有响应速度快,线性范围宽,检测限低的特点。
Description
技术领域
本发明属于荧光传感技术领域,具体是指一种三价铈离子偶联石墨相氮化碳和铜纳米簇比率荧光探针及其制备方法及应用。
背景技术
过氧化氢是重要的活性氧之一,不仅参与氧化还原信号通路,而且是蛋白质折叠、生长、信号传递、分化和细胞迁移过程中的重要的生物标志物。在调整各种生物活动的过程中,尤其在衰老和癌变过程中,过氧化氢的存在具有重要意义。值得注意的是,细胞内过氧化氢的紊乱或积累可导几种严重疾病的发生,如癌症和中枢神经系统疾病。因此,过氧化氢的检测对于临床诊断和生物医学研究至关重要。在细胞代谢过程中,葡萄糖是主要的能量来源,它也起着关键的作用在生物系统期间。葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化下,生成其水解物和过氧化氢,因此可以通过检测过氧化氢的浓度而间接实现葡萄糖的检测。鉴于过氧化氢和葡萄糖在监测人类健康和生命中起着重要的作用,我们迫切需要开发一种快速、灵敏的过氧化氢和葡萄糖检测方法。荧光传感器法具有灵敏度高、选择性好、响应速度快、操作简单等优点而被广泛地研究和开发。然而,基于量子点、金属纳米簇、有机荧光探针的单发射的荧光体系易受到荧光探针浓度、激发波长强度、体系温度和酸碱度的影响,特别是对于猝灭型荧光体系用于复杂基质中分析物的检测时,这种影响更加显著。比率型荧光分析法是通过测量两个不同波长处的荧光强度随分析物浓度的变化而变化,并以二者比值实现对分析物的检测的分析方法。这种通过建立内标,使荧光体系具有自我调节功能,极大地削弱仪器和环境等因素的干扰,更适合于实际应用。
铜纳米簇是由几个至几百个铜原子组成的,具有优异的光稳定性,大的斯托克位移,这有利于提高荧光传感器的灵敏度,避免背景荧光和激发光的干扰。但是目前所制备的铜纳米簇的发光性能较差,荧光量子产率较低(通常小于10%),这不利于铜纳米簇的实际应用。聚集诱导发光是唐本忠院士团队于2001年偶然发现的一种荧光现象。荧光分子在聚集状态下振动受到限制而使荧光增强,解决了荧光探针荧光强度低的局限,可提高荧光传感体系的信噪比和灵敏度。
石墨相氮化碳是一种具有类石墨层状堆积结构的氮化碳同素异形体。以铈(III)离子作为诱导剂促使铜纳米簇发生聚集诱导效应和偶联石墨相氮化碳构建比率型荧光探针,并将其用于过氧化氢和葡萄糖的灵敏检测的研究还未见报道。
发明内容
本发明的目的是克服单发射荧光体系的缺点,提高铜纳米簇的荧光,通过三价铈离子诱导铜纳米簇发生聚集诱导效应和偶联石墨相氮化碳构建比率型荧光探针,并将其用于过氧化氢和葡萄糖的灵敏检测,该荧光探针的制备方法简单、省时,检测过氧化氢和葡萄糖表现出良好的灵敏度和选择性。
作为本发明的第一个方面,本发明的第一个目的是提供一种三价铈离子偶联石墨相氮化碳和铜纳米簇比率荧光探针制备方法,其技术方案是在醋酸-醋酸钠缓冲溶液中加入石墨相氮化碳,涡旋混匀,然后加入三价铈离子,反应后,加入铜纳米簇,继续反应,得到三价铈离子偶联石墨相氮化碳和铜纳米簇比率荧光探针。
进一步设置是醋酸-醋酸钠缓冲溶液的pH为3.6~5.6。
进一步设置是三价铈离子的浓度为1~50mM。
进一步设置是所述的铜纳米簇通过以下方法制备,并按照稀释比例为1:9~9:1稀释后加入,该铜纳米簇的制备方法为:将10mL浓度为50mg/mL谷胱甘肽滴加到盛有10mL摩尔浓度为10mM CuSO4的反应容器中,于37℃,650rpm的转速下反应1小时,然后用1M的NaOH溶液调节上述反应液的pH,对照pH试纸调节pH为5,继续反应2小时,制得铜纳米簇。
本发明的第二个目的是提供一种如所述的制备方法所制得的三价铈离子偶联石墨相氮化碳和铜纳米簇比率荧光探针。
本发明的第三个目的是提供一种所述的三价铈离子偶联石墨相氮化碳和铜纳米簇比率荧光探针在用于过氧化氢检测的应用方法,向所述的比率型荧光探针中加入待检测的过氧化氢,通过测试体系的荧光强度获得过氧化氢检测数据。
进一步设置是待检测的过氧化氢的浓度为0.01,0.02,0.05,0.1,0.2,0.5,1,2mM。
本发明的第四个目的一种如所述的三价铈离子偶联石墨相氮化碳和铜纳米簇比率荧光探针在用于葡萄糖检测的应用方法,将待检测的葡萄糖与葡萄糖氧化酶反应,然后将反应液加入到所述比率型荧光探针,通过测试体系的荧光强度获得葡萄糖的检测数据。
进一步设置是葡萄糖氧化酶的浓度为5~80μg/mL。
进一步设置是待检测的葡萄糖与葡萄糖氧化酶反应的反应温度为25~60℃。
本发明涉及的过氧化氢的检测的测试体系在激发波长为350nm下,该荧光探针在460nm、650nm处荧光发射峰的强度。
本发明涉及的葡萄糖检测的应用中,葡萄糖氧化酶的浓度为5~80μg/mL,反应温度为25~60℃,测试体系在激发波长为350nm下,该荧光探针在460nm、650nm处荧光发射峰的强度。葡萄糖的浓度为0.01,0.02,0.05,0.1,0.2,0.5,1,2mM。
本发明所涉及的过氧化氢的检测方法的检测范围为2-100μM,最低检测限为0.6μM。葡萄糖的检测范围为1.6-320μM,最低检测限为0.48μM。
本发明涉及铈(III)离子诱导铜纳米簇发生聚集诱导效应和偶联石墨相氮化碳构建比率型荧光探针(石墨相氮化碳-铈(III)-铜纳米簇),并基于过氧化氢能使铜纳米簇的荧光发生线性猝灭,而对石墨相氮化碳的荧光影响不大的现象,实现对过氧化氢和葡萄糖的高灵敏检测。该方法操作简单,选择性好,检测限低,为过氧化氢和葡萄糖的灵敏检测提供了一种新方法。
本发明发明采用金属阳离子铈(III)偶联石墨相氮化碳和铜纳米簇,并且其可以显著增强谷胱甘肽稳定的铜纳米簇的荧光强度,提高传感器的灵敏度。基于石墨相氮化碳-铈(III)-铜纳米簇的比率型荧光探针能避免仪器和环境等因素的干扰,用于过氧化氢和葡萄糖的检测时具有响应速度快,线性范围宽,检测限低的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1石墨相氮化碳的高倍透射电子显微镜图;
图2铜纳米簇的高倍透射电子显微镜图;
图3石墨相氮化碳-铈(III)-铜纳米簇荧光探针的构建;
图4不同浓度过氧化氢下,石墨相氮化碳-铈(III)-铜纳米簇的荧光响应图;
图5过氧化氢检测的线性图;
图6不同浓度葡萄糖下,石墨相氮化碳-铈(III)-铜纳米簇的荧光响应图;
图7葡萄糖检测的线性图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1
石墨相氮化碳的制备:8.0g三聚氰胺平铺分散于瓷舟中心,然后置于管式炉中,以3℃/min的速率升温到600℃,并于该温度下保持2h。冷却至室温后,将所生成的淡黄色块状固体于玛瑙研钵中研磨成粉末。称取100mg粉末状的氮化碳分散于100mL去离子水中,于300W功率下,超声剥离8h,静置过夜。取上清液于5000rpm转速下离心30min以得到石墨相氮化碳。由图1可知,所制备的石墨相氮化碳为薄片状。
铜纳米簇的制备:将10mL谷胱甘肽(50mg/mL)滴加到盛有10mL CuSO4(10mM)的圆底烧瓶(50mL)中,于37℃,650rpm的转速下反应1小时,生成乳白色悬浮液。然后用NaOH(1M)溶液调节上述反应液的pH,对照pH试纸调节pH为5,溶液颜色变成淡黄色,继续反应2小时,得到铜纳米簇。由图2可知,所制备的铜纳米簇的粒径为2nm左右,且均匀分散。
石墨相氮化碳-铈(III)-铜纳米簇比率型荧光探针的制备:向1mL离心管中加入400μL醋酸-醋酸钠缓冲溶液(pH 3.6),300μL步骤(1)中所制备的石墨相氮化碳,涡旋混匀,然后加入50μL铈(III)离子(10mM),反应10min后,加入50μL稀释的步骤(2)中所制备铜纳米簇(V铜纳米簇:V缓冲溶液=1:4),继续反应10min。
石墨相氮化碳-铈(III)-铜纳米簇比率型荧光探针的制备:向1mL离心管中加入400μL醋酸-醋酸钠缓冲溶液(pH 5.6),300μL步骤(1)中所制备的石墨相氮化碳,涡旋混匀,然后加入50μL铈(III)离子(10mM),反应10min后,加入50μL稀释的步骤(2)中所制备铜纳米簇(V铜纳米簇:V缓冲溶液=1:3),继续反应10min。
石墨相氮化碳-铈(III)-铜纳米簇比率型荧光探针的制备:向1mL离心管中加入400μL醋酸-醋酸钠缓冲溶液(pH 3.6),300μL步骤(1)中所制备的石墨相氮化碳,涡旋混匀,然后加入50μL铈(III)离子(30mM),反应10min后,加入50μL稀释的步骤(2)中所制备铜纳米簇(V铜纳米簇:V缓冲溶液=1:3),继续反应10min。由图3可知,铈(III)离子对石墨相氮化碳的荧光影响不大,但可以显著增强铜纳米簇的荧光,可用于构建石墨相氮化碳-铈(III)-铜纳米簇比率型荧光探针。
应用例1
过氧化氢的检测:向实施例1所制备的石墨相氮化碳-铈(III)-铜纳米簇比率型荧光探针混合溶液中加入200μL不同浓度的过氧化氢(0.01,0.02,0.05,0.1,0.2,0.5,1,2mM),反应10min,测试体系在激发波长为350nm下,荧光探针在460nm、650nm处荧光发射峰的强度。如图4所示,铜纳米簇的荧光(650nm)随着过氧化氢浓度升高而逐渐降低,而石墨相氮化碳的荧光(460nm)几乎保持不变。铜纳米簇的荧光(650nm)/石墨相氮化碳的荧光(460nm)与过氧化氢浓度的对数成线性关系,线性范围为2μM到100μM,检出限为0.6μM(图5)。
应用例2
葡萄糖的检测:160μL不同浓度葡萄糖(0.1,0.2,0.5,1,2,5,10,20mM)与40μL葡萄糖氧化酶(20μg/mL)先于25℃条件下反应30分钟。然后将得到的葡萄糖和葡萄糖氧化酶反应液加入实施例1所制备的石墨相氮化碳-铈(III)-铜纳米簇比率型荧光探针混合溶液,反应10min,测试体系在激发波长为350nm下,荧光探针在460nm、650nm处荧光发射峰的强度。
应用例3
葡萄糖的检测:160μL不同浓度葡萄糖(0.1,0.2,0.5,1,2,5,10,20mM)与40μL葡萄糖氧化酶(20μg/mL)先于37℃条件下反应30分钟。然后将得到的葡萄糖和葡萄糖氧化酶反应液加入实施例1所制备的石墨相氮化碳-铈(III)-铜纳米簇比率型荧光探针混合溶液,反应10min,测试体系在激发波长为350nm下,荧光探针在460nm、650nm处荧光发射峰的强度。
应用例4
葡萄糖的检测:160μL不同浓度葡萄糖(0.1,0.2,0.5,1,2,5,10,20mM)与40μL葡萄糖氧化酶(60μg/mL)先于37℃条件下反应30分钟。然后将得到的葡萄糖和葡萄糖氧化酶反应液加入实施例1所制备的石墨相氮化碳-铈(III)-铜纳米簇比率型荧光探针混合溶液,反应10min,测试体系在激发波长为350nm下,荧光探针在460nm、650nm处荧光发射峰的强度。如图6所示,铜纳米簇的荧光(650nm)随着葡萄糖浓度升高而逐渐降低,而石墨相氮化碳的荧光(460nm)几乎保持不变。铜纳米簇的荧光(650nm)/石墨相氮化碳的荧光(460nm)与葡萄糖浓度的对数成线性关系,线性范围为1.6μM到320μM,检出限为0.48μM(图7)。
以上对本发明的实施例进行了详细说明,但所述实施例并不用以限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.三价铈离子偶联石墨相氮化碳和铜纳米簇比率荧光探针的制备方法,其特征在于:
在醋酸-醋酸钠缓冲溶液中加入石墨相氮化碳,涡旋混匀,然后加入三价铈离子,反应后,加入铜纳米簇,继续反应,得到三价铈离子偶联石墨相氮化碳和铜纳米簇比率荧光探针;
石墨相氮化碳的制备:将8.0 g三聚氰胺平铺分散于瓷舟中心,然后置于管式炉中,以3°C/min的速率升温到600 °C,并于该温度下保持2 h;冷却至室温后,将所生成的淡黄色块状固体于玛瑙研钵中研磨成粉末;称取100 mg粉末状的氮化碳分散于100 mL去离子水中,于300 W功率下,超声剥离8 h,静置过夜;取上清液于5000 rpm转速下离心30 min以得到石墨相氮化碳;
铜纳米簇的制备:将10 mL浓度为50 mg/mL谷胱甘肽滴加到盛有10 mL摩尔浓度为10mM CuSO4的反应容器中,于37℃,650 rpm的转速下反应1小时,然后用1 M的 NaOH溶液调节上述反应液的pH,对照pH试纸调节pH为5,继续反应2小时,制得铜纳米簇。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:醋酸-醋酸钠缓冲溶液的pH为3.6~5.6。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:三价铈离子的浓度为1~50 mM。
4.一种如权利要求1-3之一所述的制备方法所制得的三价铈离子偶联石墨相氮化碳和铜纳米簇比率荧光探针。
5.一种如权利要求4所述的三价铈离子偶联石墨相氮化碳和铜纳米簇比率荧光探针在用于过氧化氢检测的应用方法,其特征在于:向所述的比率型荧光探针中加入待检测的过氧化氢,通过测试体系的荧光强度获得过氧化氢检测数据。
6.根据权利要求5所述的应用方法,其特征在于:待检测的过氧化氢的浓度为0.01,0.02,0.05,0.1,0.2,0.5,1,2 mM。
7.一种如权利要求4所述的三价铈离子偶联石墨相氮化碳和铜纳米簇比率荧光探针在用于葡萄糖检测的应用方法,其特征在于:将待检测的葡萄糖与葡萄糖氧化酶反应,然后将反应液加入到所述比率型荧光探针,通过测试体系的荧光强度获得葡萄糖的检测数据。
8.根据权利要求7所述的应用方法,其特征在于:葡萄糖氧化酶的浓度为5~80 μg/mL。
9.根据权利要求7所述的应用方法,其特征在于:待检测的葡萄糖与葡萄糖氧化酶反应的反应温度为25~60°C。
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